Einfluss von Stickstoff auf die organische Bodensubstanz in Waldböden

In den letzten Jahrzehnten wurde der Einfluss erhöhter Stickstoff (N) Einträge auf den Kohlenstoff (C) Kreislauf von Wäldern kontrovers diskutiert und noch immer ist der Effekt auf die Speicherung von Boden-C höchst unsicher. Von borealen Wäldern wissen wir, dass erhöhte N-Einträge das Waldwachstum und somit auch die Produktion von Laub- und Nadelstreu fördern. Gleichzeitig geht der C-Transport in den Wurzelraum zurück und die mikrobielle Gemeinschaft verändert sich, mit unsicheren Konsequenzen für die Akkumulation von SOM (organischer Bodensubstanz/Humusgehalt). Ziel dieses Projekts ist es herauszufinden, ob und wie erhöhte N- Einträge den Humusgehalt in Wäldern der gemäßigten Klimazone verändern, sowohl in Hinblick auf seine Tiefenverteilung als auch auf seine chemischen Eigenschaften. Welche mikrobiellen Prozessen sind beteiligt, und wie ist der langfristige Effekt auf die C Speicherung? Wir nehmen an, dass (i) erhöhte N Einträge die Akkumulation von SOM in Wäldern erhöhen, (ii) der zusätzlich gebundene SOM spezifische molekulare Eigenschaften aufweist, (iii) sich die Tiefenverteilung des SOM verändert (iv) sich die mikrobielle Gemeinschaft in Waldböden bei erhöhtem N-Eintrag verändert und ihre Abbauleistung zurück geht. Wir haben zwei einzigartige Langzeit Düngungsversuche ausgewählt, einer in Klosterhede (Dänemark), der andere im Alptal (Schweiz). Beide Standorte erhalten seit bis zu 20 Jahren jährliche N-Zugaben, die eine erhöhte N- Deposition simulieren. Wir werden ein umfassendes Set von chemischen und mikrobiologischen Methoden für die detaillierte Bodenanalyse verwenden: (1) Die Quantität, Qualität und molekulare Charakterisik des SOM wird durch spektroskopische Messungen von Bodenproben analysiert (Mittlere Infrarot-, Festkörper 13C-NMR-Spektroskopie). Der labile SOM-Pool wird an Hand von Bodenextrakten untersucht. Spektroskopische Methoden und Pyrolyse GC-MS werden zur Analyse der isolierten Extrakte herangezogen. Der Beitrag von Mikroorganismen und Pflanzen zu den verschiedenen Bodenfraktionen wird abgeschätzt. Isotopenverhältnis-Massenspektrometrie (IRMS) wird Informationen über die d13C Anreicherung und daher den Abbaugrad mit der Bodentiefe liefern. (2) Mikrobielle Poolgrößen werden durch Biomasse C- und N- sowie durch Ergosterol-Bestimmung erfasst; mikrobielle Aktivität durch Enzym- und Respirations-Messungen. Mittels Metaproteomics können wir Bodenproteine/Enzyme ihrer Herkunft zuordnen und Veränderungen der mikrobiellen Gemeinschafts-Struktur und -Funktion feststellen. Mit Hilfe dieses Forschungsprojekts wollen wir Antworten auf die ungelöste Frage finden, ob langfristig erhöhte N-Zufuhr die C-Sequestrierung in Waldböden erhöht. Die Stärke dieses Projekts liegt in der einmaligen Kombination modernster Techniken zur Charakterisierung von SOM und Bodenmikrobiologie unter Einbindung der Fachexpertise mehrerer international renommierter Institutionen. Der starke methodische Fokus erlaubt wegweisende Erkenntnisse für die zukünftige Untersuchung der C-Sequestrierung in Böden.

Die Wälder der temperaten Zone nehmen derzeit mehr Kohlenstoff aus der Atmosphäre auf, als sie durch Atmung wieder abgeben. Ein Teil dieser Kohlenstoffsenkenfunktion ist auf den Eintrag von reaktivem Stickstoff (Nr) aus der Atmosphäre zurückzuführen, welcher das Baumwachstum erhöht. Ein Großteil des Kohlenstoffs in temperaten Wäldern ist allerdings im Boden als organische Substanz (soil organic matter, SOM) vorhanden. In diesem Projekt wurde untersucht wie sich die langjährige, experimentelle Zugabe von Nr auf die Menge und Zusammensetzung von SOM an 2 Standorten in Europa auswirkt. Im Gegensatz zu den meisten ähnlichen Studien, konnten wir keine Erhöhung der gesamten Bodenkohlenstoffmenge an den beiden Standorten feststellen. Stattdessen führte die Zugabe von Nr zu einer Verschiebung der Bodenkohlenstoffspeicher von mineralischen (weniger C) hin zu organischen Bodenhorizonten (mehr C). Die Gesamtkohlenstoffmenge innerhalb von 30 cm Tiefe wurde allerdings nicht von Nr beeinflusst. Des Weiteren zeigte sich, dass der Einfluss von Stickstoff auf Baumwachstum, Boden-pH-Wert und austauschbare Kationen stark vom Bodentyp abhängig ist. Die Zugabe von Nr veränderte außerdem die chemische Zusammensetzung von SOM (mehr Lignin, mehr pflanzliche Proteine, weniger Lipide) sowie Funktion und Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaften des Bodens. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass organisches Material pflanzlichen Ursprungs langsamer, und organisches Material mikrobiellen Ursprungs hingegen schneller abgebaut wird. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass langjährige Nr-Zugabe zwar die mikrobiellen Abbauprozesse und die chemische Zusammensetzung von SOM, nicht aber die gesamte Kohlenstoff-Menge in temperaten Waldböden, beeinflusst.